Wie leichte „Echos“ uns helfen, kosmische Wiederholungen von vor Hunderten von Jahren zu sehen

Wenn wir in den Kosmos blicken, ist alles, was wir sehen, gewissermaßen ein Echo. Das Licht, das wir sehen, prallt von Oberflächen ab, durch die Luft, wird gebrochen und reflektiert, und das alles mit der höchstmöglichen lokalen Geschwindigkeit, die physikalisch möglich ist. Diese Geschwindigkeit dauertdas „Echo" des Lichts, wenn es mit der Welt, die wir sehen, interagiert und in Sichtweite übersetzt wird. In unserer alltäglichen Erfahrung ist ein Lichtecho etwas, das wir niemals wahrnehmen könnten.

Ähnlich, wenn Sie zwei Laserstrahlen nehmen und einen davon in einer geraden Linie abfeuern, sodass einer eine entfernte Wand trifft; und Sie den zweiten so winkeln, dass er einmal vom Boden abprallt und dann denselben Punkt wie der erste trifftLaser, dann würde es Ihnen theoretisch nicht viel nützen, beide Laserstrahlen genau zur gleichen Zeit einzuschalten, um zu sehen, wer schneller an der gegenüberliegenden Wand ankommt.Das Licht des Lasers bewegt sich so schnell, dass die verschwindend geringe Verzögerung des abgewinkelten Lasers die Wand erreichtist nicht von der unmittelbaren Übertragung zum menschlichen Auge zu unterscheiden. Selbst einige der empfindlichsten Lichtmesssensoren könnten keinen Unterschied zwischen den Laufzeiten der beiden Lichtstrahlen registrieren.

Aber was wäre, wenn wir uns nicht mit Licht in unserer alltäglichen Welt hier auf der Erde umsehen, sondern in die tiefsten Winkel des Weltraums blicken würden? Das Licht der Sonne braucht etwa acht Minuten, um uns hier auf der Erde zu erreichen, und dieJe weiter Sie gehen, desto länger braucht das Licht, um uns zu erreichen. Gehen Sie weit genug weg, und jetzt beginnt die zusätzliche Entfernung, die das abgewinkelte Licht zurücklegen muss, eine Rolle zu spielen. So entsteht ein Lichtecho.

Was ist ein Lichtecho?

Licht breitet sich als Welle in alle Richtungen gleichmäßig und mit konstanter Geschwindigkeit aus. Licht kann jedoch auch reflektiert werden. Da sich Licht mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, ist es möglich, den Unterschied zwischen dem von einer Quelle emittierten Licht zu messenvoraussichtlich an einem bestimmten Ort ankommt und wann Licht tatsächlich ankommt. Eine Verzögerung gegenüber der erwarteten Zeit könnte bedeuten, dass das Licht von einem Objekt reflektiert wurde. Da es sich so schnell bewegt, ist ein Lichtecho nur über astronomische Entfernungen wirklich beobachtbar.

In der Praxis kann ein Lichtecho von Lichtwellen entstehen, die ihren Ursprung in einer Nova, Supernova oder einem anderen hellen kosmischen Ereignis haben und mit dem interstellaren oder sogar intergalaktischen Medium zwischen der Lichtquelle und einem Beobachter interagieren. Das resultierende Lichtecho, das ander Beobachter messen kann, ist das visuelle Analogon des Schallechos, das er hören würde, wenn er in einem leeren Symphoniesaal schreien würde, wobei wellige Lichtmuster den Beobachter zu unterschiedlichen Zeiten erreichen.

Wie funktioniert ein Lichtecho?

In den meisten Fällen erscheint dies in Form einer „Blase“ oder „Welle“ aus Licht, die sich nach außen ausbreiten kann, wenn sie sich ihren Weg durch Wolken aus Weltraumstaub, Gas und mehr bahnt.

"Während das Licht des Ausbruchs weiterhin vom Staub reflektiert wird, der den Stern umgibt, sehen wir kontinuierlich wechselnde Querschnitte der Staubhülle." sagte der Astronom Howard Bond des Space Telescope Science Institute in Baltimore.

Und j So wie Schallechos infolge des dazwischenliegenden Materials, mit dem es interagiert, verzerrt, verstärkt oder anderweitig verändert werden können, können der Weltraumstaub und das Gas, mit denen das Licht interagiert, Teile des Farbspektrums absorbieren, sodass das Licht den Beobachter erreichtin Form eines Lichtechos könnte die Farben verändern, wenn es sich durch das interstellare Medium ausbreitet.

Ein sehr bekannter Fall davon ist Tycho Braches Supernova, das vom dänischen Astronomen am beobachtet wurde11. November 1572, und inspirierte ihn dazu, sein Leben ernsthafter Astronomie zu widmen. Das Licht der ursprünglichen Supernova erreichte Brache 1572. Dennoch wurden Lichtechos dieser Supernova kürzlich von Astronomen beobachtet, nachdem sie sich von der Erde entfernt hatten undvon interstellarem Staub und Gas zurück zu uns reflektiert werden – was Astronomen die seltene Gelegenheit bietet, Licht von demselben Ereignis zu beobachten, das von einem der berühmtesten Namen der wissenschaftlichen Revolution in Europa bezeugt wurde.

„Ich finde es cool, dass ich in den Himmel schauen und immer noch das gleiche Licht sehen kann wie Tycho zur Zeit seiner wirklich revolutionären Entdeckung“, sagte der Astronom der Texas A&M University, Nicholas Suntzeff. „Diese Supernova bewies [Aristoles unveränderliche geozentrischeModell des Universums] falsch und führte schnell zu einer Denkfreiheit in der Wissenschaft – dass wir jede Theorie mit Beobachtungen in Frage stellen können – was für die Art und Weise, wie Wissenschaft heute funktioniert, von zentraler Bedeutung ist."

Wie können wir Lichtechos in der Astronomie nutzen?

So wie Sonar und Radar Wissenschaftlern dabei helfen, Meeresböden zu kartieren und die Entfernung zum Mond zu messen, haben sich Lichtechos als nützliches astronomisches Werkzeug erwiesen. Im Fall von Tycho Braches Supernova ist es am zweitbesten, das Lichtecho des Ereignisses zu sehenSache, es aus erster Hand zu sehen.

„Es ist, als würde man ein Farbfoto von Napoleon finden“, sagte Armin Rest, ein Astronom im Sabbatical von der Harvard University, der die Studie über Braches Supernova-Lichtecho leitete. „Wir haben plötzlich die Chance, einen Schnappschuss von einem Ereignis zu machen, das sehr einflussreich istGeschichte der Astronomie."

Im Falle von Supernovae und anderen ereigniszentrierten Phänomenen kann ein Lichtecho kritische Informationslücken bei Ereignissen füllen, die vor langer Zeit stattgefunden haben – Lücken, die sonst nicht zu füllen wären.

„Wir können das ‚Vorher und Nachher‘ gleichzeitig sehen, indem wir das Lichtecho bzw. den Supernova-Überrest untersuchen“, sagte Rest. „Normalerweise ist in der Astronomie die Zeitskala für Ereignisse so lang, dass man kein einziges beobachten kannObjekt entwickeln. Sie können einen Lichtimpuls von einer entfernten Supernova sehen oder einen nahe gelegenen Supernova-Überrest untersuchen, aber Sie können nicht sowohl die Supernova-Explosion als auch den Überrest für dasselbe Ereignis untersuchen. Mit Lichtechos können Sie jedoch kann beides für dasselbe Ereignis tun."

Die Fähigkeit, auf das zuzugreifen, was im Wesentlichen historische Beobachtungen in die Moderne gebracht haben, hat auch die Fähigkeit, Löcher in der Zeitachse astronomischer Ereignisse zu füllen. Ein aktuelles Beispiel verwendete Lichtechos, um festzustellen, dass das supermassereiche Schwarze Loch der Milchstraße,Schütze A* Sag A*, hatte vor etwa 300 Jahren einen Aktivitätsschub im Gegensatz zu seiner heute überwiegend ruhigen Haltung.

„Wir haben uns gefragt, warum das Schwarze Loch der Milchstraße ein schlummernder Riese zu sein scheint“, sagt Tatsuya Inui von der Universität Kyoto in Japan, der das Team leitete, das Lichtechos nutzte, um Sag A* zu untersuchen. „Aber jetzt erkennen wir, dass das SchwarzeLoch war in der Vergangenheit viel aktiver. Vielleicht ruht es sich nur nach einem größeren Ausbruch aus."

Im Fall von Sag A* untersuchten die Forscher Aufzeichnungen von 1994 bis 2005 für Gaswolken, die als Sagittarius B2 bekannt sind und sich etwa 300 Lichtjahre von Sag A* entfernt befinden. Die historischen Daten zeigten, dass diese Gaswolken im X-Strahlenteil des Lichtspektrums als Reaktion auf die Aktivität um Sag A*.

Röntgenemissionen sind ein signifikantes Merkmal von aktiven Schwarzen Löchern, die Material ansammeln, da Material in der Akkretionsscheibe mit erheblichen Bruchteilen der Lichtgeschwindigkeit gegen anderes einfallendes Material streift. Diese Wechselwirkungen erzeugen eine helle Röntgenquelledie die gesamte Galaxie, die sie beherbergt, in den Schatten stellen können, daher sind sie hervorragende Kandidaten für die Lichtechobeobachtung und geben uns eine detailliertere Geschichte eines aktiven galaktischen Kerns wie Sag A*.

„Indem wir beobachteten, wie diese Wolke über 10 Jahre aufleuchtete und verblasste, konnten wir die Aktivität des Schwarzen Lochs vor 300 Jahren zurückverfolgen“, sagt Katsuji Koyama von der Universität Kyoto, ein Astronom, der an der Studie arbeitete. „Das Schwarze Loch war einMillionen Mal heller als vor drei Jahrhunderten. Es muss ein unglaublich starkes Aufflackern entfesselt haben."

Rest stimmt dieser Einschätzung sicherlich zu. Nach der Untersuchung eines Lichtechos in der Großen Magellanschen Wolke von einer mächtigen Supernova im Jahr 2008 konnten Rest und seine Kollegen die Explosion auf ein Ereignis vor etwa 400 Jahren lokalisieren und die Nützlichkeit des Lichtechos demonstrierenStudium astronomischer Ereignisse.

„Die Menschen hatten keine fortschrittlichen Teleskope, um Supernovae zu untersuchen, als sie vor Hunderten von Jahren hochgingen“, sagte er. „Aber wir haben das Nächstbeste getan, indem wir uns am Ort der Explosion umgesehen und eine Action-Wiederholung erstellt habenes."

"Dies ist der erste Fall, in dem die Schlussfolgerungen, die aus dem Supernova-Überrest auf die ursprüngliche Explosion gezogen werden, direkt getestet werden können, indem man sich das ursprüngliche Ereignis selbst ansieht. Wir werden viel über Supernovae in unserer eigenen Galaxie lernen könnenmit dieser Technik."